[发明专利]一种基于近场电纺技术的丝素蛋白组织工程支架制备方法

说明书

本发明公开了一种基于近场电纺技术的丝素蛋白组织工程支架制备方法，通过将再生的丝素蛋白水溶液与聚氧化乙烯水溶液混合，调节混合材料的配比，改变整个混合物的黏度特性，制备出了可以用于近场电纺的丝素蛋白/PEO溶液体系，之后采用近场电纺打印技术，按照周期循环的十字网状结构的支架模型打印，最后通过化学改性剂浸泡等后处理工艺，实现了丝素蛋白组织工程支架的制备。本发明制备方法简单，生产效率高，且不影响原料的固有特性，制备的组织工程支架的孔隙率高且可调控，孔径大小合适，良好的力学性能和较大的比表面积，支架材料的生物相容性和生物活性好，可以较好的模拟细胞外基质，适合于细胞的黏附、增殖和分化。

技术领域

本发明属于生物医用材料技术领域，涉及一种基于近场电纺技术的丝素蛋白组织工程支架制备方法。

背景技术

组织工程是指将分离的成组细胞和干细胞等经体外培养扩增后，种植于一种天然或人工合成的可被人体逐步降解吸收的细胞支架，这种生物材料支架可为细胞提供生存的三维空间，有利于细胞获得足够的营养物质、进行气体交换、排除废料，使细胞在预制形态的三维支架上生长，再将这种黏附上细胞的材料植入组织缺损部位，在生物材料逐步降解的同时，种植的细胞不断增殖，从而达到修复组织缺损的目的。

在组织工程研究中最重要的环节是三维支架的构建及支架与细胞的复合，支架材料通过影响细胞的黏附和分化等，可以直接或间接地影响到再生组织的质量。高分子材料，如聚乳酸(PLA)、聚己内酯(PCL)、聚乙烯醇(PVA)等因具有良好的力学机械性能及生物可降解性而被广泛应用于组织工程领域，其来源广泛、成本低廉、易造型等特点都是天然高分子所无法比拟的。而天然生物材料，如胶原、壳聚糖、明胶、去细胞外基质等，因其普遍存在于生物体内，所以生物和细胞相容性好，但由于它们来源有限、价格相对昂贵，限制了它们在构建组织工程支架上的应用。

丝素蛋白是一种无生理活性的天然结构性蛋白，具有其他高分子材料所不可比拟的优点：无毒、无刺激、无污染、独特的机械性能及优良的透气性、透湿性和生物相容性，支持组织细胞的生长与增殖。而且丝素蛋白具有与其他生物大分子一样的生物可降解性，这使其成为了组织工程器官和组织构建中的新型材料。目前，丝素蛋白组织工程支架的制备方式主要包括溶剂浇铸/粒子沥滤法、冷冻干燥法以及快速成型法(3D打印技术)。溶剂浇铸/粒子沥滤法是将含有致孔剂的高分子溶液倒入模具中，溶剂挥发后除去致孔剂，这种方法简便，成本低，形成的孔隙的大小及形状可控，但是使用有机溶剂会降低生物分子的活性，而且如果支架太厚，其中心部位的致孔剂将很难完全去除。冷冻干燥法是在低温低压的条件下，使材料中的冰晶升华后形成内部多孔的结构，采用这种方法形成的支架孔隙率高，孔的内部连通性好，易于通过模具控制支架形状，但是所形成的孔隙的孔径较小且可控性差。快速成型法(3D打印技术)是使用CAD模型直接驱动3D打印机，通过增材制造的手段快速制备任意形状的组织工程支架，通过3D打印技术得到的组织工程支架的孔径大小、孔隙率以及孔形状可控，支架形状可控，制备时间短，但是在这个过程中，形成的孔隙率较低，而且还需要使用3D打印机这种特殊设备。

自从Formhals等人于1934年利用电纺技术实现纳米纤维无纺布的构建之后，静电纺丝技术就为大家所熟知。这一技术的核心是使带电流体在静电场中流动与变形，最终得到纤维状物质。当给注射器针尖和收集板之间加上静电高压时，电场力克服针尖液滴的表面张力，高速射流被拉伸，然后形成泰勒锥，静电力使射流分岔，变成极细的丝状纤维。最后溶剂挥发，收集板收集到无序的无纺布式纳米级纤维。由于在分子结构上，丝素蛋白由轻、重两条链构成，两条链紧紧缠绕，结构致密，从而形成3种主要的空间结构构象：无规卷曲、α-螺旋和β-折叠。蛋白分子链按α-螺旋和β-平行折叠构象交替堆积形成I型结构，按β-反平行折叠堆积形II型结构，这些分子链构象与晶型结构决定了丝素蛋白具有良好的力学性能，使其在静电高压电场下容易被拉成纤维，并且它的分子量大、黏度高、分子构象稳定，因此，丝素蛋白被广泛应用于静电纺丝研究。近些年来，随着静电纺丝技术的不断发展，通过调控匹配施加电压的大小、极板间距和电纺溶液体系，可以采用近场电纺技术实现对纤维的有序控制，通过对纳米级移动平台的精确控制可以实现纤维在极板上的有序沉积。